In un campione di tessuto coltivato in laboratorio, prelevato da un paziente affetto da fibrosi cistica che non rispondeva ai farmaci esistenti, i ricercatori hanno ripristinato la produzione di una proteina a lunghezza intera e hanno fornito a Trikafta un substrato su cui agire. Le cellule del paziente hanno risposto positivamente quando il farmaco è stato combinato con RNA di trasferimento (tRNA) modificato, sebbene nessuno dei due trattamenti, preso singolarmente, avesse un effetto significativo.
Il team dell’Università di Toronto ha progettato il tRNA per aggirare le mutazioni che inducono le cellule a interrompere prematuramente la produzione di una proteina. Poiché lo stesso tipo di segnale di arresto prematuro può verificarsi in molti geni diversi, i ricercatori sperano che questa strategia possa essere applicata in futuro a diverse malattie genetiche, anziché sviluppare una terapia specifica per ogni singola mutazione.
Pubblicato su Science, lo studio ha dimostrato che il tRNA modificato geneticamente può sopprimere queste mutazioni che causano la malattia e ripristinare la produzione di proteine a lunghezza intera in modelli di fibrosi cistica sia di laboratorio che preclinici.
Le cellule del paziente indicano una terapia combinata
Un esperimento ha utilizzato tessuto prelevato da un paziente affetto da fibrosi cistica con un genotipo CFTR complesso, contenente quattro mutazioni, due delle quali nonsenso. Il paziente non rispondeva ai farmaci esistenti. I membri del team di ricerca Jim Hu e Tanja Gonska, entrambi scienziati del SickKids con incarichi presso la Facoltà di Medicina Temerty dell’Università di Toronto, hanno fornito l’accesso al tessuto.
I campioni sono stati coltivati in organoidi, modelli in miniatura realizzati a partire da tessuto del paziente. Il tRNA modificato da solo ha avuto scarso effetto, così come il farmaco per la fibrosi cistica Trikafta. Quando i due sono stati combinati, tuttavia, le cellule hanno risposto. Il tRNA ha ripristinato la produzione della proteina a lunghezza intera, fornendo al Trikafta un bersaglio su cui agire.
La fibrosi cistica mette alla prova la strategia
I ricercatori hanno anche verificato se il tRNA modificato potesse ripristinare una proteina CFTR effettivamente funzionante. Nelle cellule delle vie aeree umane portatrici di due comuni mutazioni nonsenso, la proteina è ricomparsa, ha funzionato come avrebbe dovuto ed è rimasta presente per più di 40 giorni. Ulteriori test preclinici hanno confermato questa ipotesi.
Bowen Li, Professore associato presso la Leslie Dan Faculty of Pharmacy dell’Università di Toronto e responsabile dello studio, afferma che l’obiettivo più ampio è quello di sviluppare una strategia comune per le malattie che condividono questo tipo di mutazione.
“Esistono così tanti tipi di mutazioni che causano malattie – molte delle quali colpiscono solo un piccolo numero di persone – che sviluppare una terapia genica specifica per ogni singola mutazione è estremamente difficile“, afferma Li, che è anche ricercatore affiliato presso il Princess Margaret Cancer Centre dell’University Health Network.
“Con le terapie a base di tRNA, il nostro obiettivo è sviluppare un approccio terapeutico comune che possa potenzialmente affrontare lo stesso tipo di mutazione in molti geni e malattie diverse, comprese le patologie rare per le quali attualmente esistono poche o nessuna opzione di trattamento efficace“.
Le mutazioni non senso creano un bersaglio comune
Questo approccio si concentra sulle “mutazioni non senso”, che introducono un segnale di stop prematuro nelle istruzioni genetiche per la produzione di una proteina. Ciò può comportare la presenza di una quantità minima o nulla di proteina funzionale a lunghezza intera nelle cellule, compromettendo funzioni vitali.
Si stima che le mutazioni non senso siano responsabili di circa l’11% delle malattie genetiche ereditarie. Queste malattie sono migliaia e includono sottotipi di fibrosi cistica, nonché alcune patologie muscolari e neurologiche.
“Lo stesso tipo di segnale di stop prematuro può verificarsi in molti geni diversi, causando malattie che colpiscono polmoni, cervello, muscoli e altri tessuti”, afferma Li. “Il nostro obiettivo a lungo termine è sviluppare farmaci a base di tRNA che riconoscano questi segnali di stop comuni, in modo che una singola strategia terapeutica possa essere potenzialmente applicata a molte diverse malattie genetiche.”
Affinché questo approccio potesse rivelarsi un potenziale farmaco, i ricercatori hanno dovuto rendere il tRNA modificato più efficace e trovare un modo per veicolarlo alle cellule che ne avevano bisogno.
La messa a punto e la somministrazione di sostanze chimiche risolvono gli ostacoli principali
Haissi Cui, co-responsabile dello studio e Professore assistente di chimica presso la Facoltà di Arti e Scienze, ha indirizzato il team verso i marcatori chimici presenti naturalmente sui tRNA. L’aggiunta di una specifica modifica ha reso il tRNA modificato più attivo e duraturo.
“La collaborazione interdisciplinare è stata fondamentale per questo progetto“, afferma Cui. “Abbiamo utilizzato la natura come guida progettuale e scoperto che l’aggiunta di una specifica modifica rendeva il tRNA ingegnerizzato più attivo e duraturo. Questo dimostra cosa diventa possibile quando la chimica e la biologia dell’RNA si uniscono“.
Il team aveva anche bisogno di un modo per introdurre il tRNA nelle cellule. Jingan (Charles) Chen, ricercatore nel laboratorio di Li e coautore principale dello studio, si è occupato di questa sfida. I ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle lipidiche, le bolle di grasso che trasportavano l’mRNA nei vaccini contro il COVID-19, ma le hanno riprogettate per veicolare il tRNA.
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“Per quanto potenti si possano rendere questi tRNA, senza un sistema di somministrazione non possono essere un farmaco”, afferma Chen, dottorando presso la Facoltà di Farmacia Leslie Dan e l’Istituto di Ingegneria Biomedica.
“Questo sistema di rilascio mirato al carico è uno dei principali progressi del nostro studio. Abbiamo utilizzato un sistema di rilascio di nanoparticelle lipidiche su misura, sviluppato specificamente per il tRNA“.
Lisa Dolovich, Preside della Facoltà di Farmacia Leslie Dan, vede lo studio come parte della tradizione dell’Università di Toronto di attingere alla biologia del corpo stesso per sviluppare trattamenti, dall’insulina alle scoperte sul GLP-1 alla base di farmaci come Ozempic.
“Questo è il tipo di ricerca fondamentale su cui si basano le scoperte mediche più importanti”, afferma Dolovich. “Affrontando insieme l’aspetto scientifico e quello applicativo, ci avviciniamo alla trasformazione di una scoperta in un farmaco“.
Riferimento: Science
La ricerca è stata finanziata dagli Istituti canadesi di ricerca sanitaria, dal Consiglio di ricerca in scienze naturali e ingegneria, da Cystic Fibrosis Canada, dalla Fondazione per la fibrosi cistica, dal Fondo per le nuove frontiere della ricerca, dal Programma delle cattedre di ricerca del Canada, dal Fondo Connaught, dall’Istituto Harrington Discovery e dagli Istituti nazionali di sanità.